一種基于自適應分頻的頻率測量方法及其實現(xiàn)

在電子測量中，頻率是最基本的測量量之一。目前采用比較廣泛的是等精度測頻法（多周期同步測量法）這種方法具有測量精度高、測量精度不隨被測信號的變化而變化的特點。但這種方法需要的硬件開銷大，且同步電路結(jié)構(gòu)復雜，易造成誤觸發(fā)，可靠性不高。本文針對等精度測頻法的不足，采用自適應的分頻方法對被測信號進行連續(xù)分頻，從而產(chǎn)生可靠的閘門控制信號，簡化了電路的結(jié)構(gòu)；同時根據(jù)實際需要，在設計中加入了頻率信號的預處理電路，并結(jié)合pc104總線以及fpga等技術(shù)，實現(xiàn)了對頻率信號寬范圍、高速度、高精度的測量。該系統(tǒng)作為某型號計量校準裝置的一部分，已很好地應用于實際使用中。

1 等精度測頻原理及其改進

等精度測頻是在直接測頻的基礎上發(fā)展而來的。等精度測頻的最大特點就是在整個頻率范圍內(nèi)都能達到同樣的測量精度，且與被測信號頻率大小無關(guān)。其基本原理如圖1所示。

在測量過程中，預置閘門信號的上升沿啟動測量過程，但此時對被測信號計數(shù)的計數(shù)器1和對基準時鐘計數(shù)的計數(shù)器2并沒有開始計數(shù)。預置閘門信號變?yōu)楦唠娖胶螅粶y信號的第一個上升沿使得實際閘門信號變?yōu)楦唠娖接行盘?，計?shù)器1和2開始計數(shù)。當預置閘門信號變?yōu)榈碗娖叫盘枙r，計數(shù)器1和2并沒有立即停止計數(shù)，而是要等到緊接在其后的被測信號的上升沿到來時，實際閘門信號變?yōu)榈碗娖綗o效信號時才停止計數(shù)。若記計數(shù)器1的計數(shù)值為n1，計數(shù)器2的計數(shù)值為n2，基準頻率為f0，被測頻率為fx，則有fx=f0?n2/n1。

等精度測頻方法除了需要兩個計數(shù)器分別對被測信號和基準時鐘進行計數(shù)外，還需要附加一個額外的計數(shù)器來產(chǎn)生預置閘門控制信號，而且由于預置閘門控制信號的引入，增加了同步電路的復雜度。當被測信號頻率較高時，被測信號的上升沿和預置閘門信號的下降沿可能會出現(xiàn)競爭冒險的問題，從而造成誤觸發(fā)，影響了測量精度，降低了系統(tǒng)的可靠性。

針對這一問題，改進以后的等精度測頻原理如圖2所示。

其工作過程分為精測和精測兩步。精測時，將被測信號的預分頻數(shù)設置為2，對其進行分頻，分頻后信號的上升沿啟動計數(shù)器1對基準頻率進行計數(shù)，其后緊接著的下降沿啟動計數(shù)器1對基準頻率進行計數(shù)，其后緊接著的下降沿使計數(shù)停止，根據(jù)計數(shù)值的大小估算出被測信號的頻率。精測時，根據(jù)此前估算的頻率和預選設定的測量時間，調(diào)整被測信號的預分頻數(shù)（譬如預先設定的測量時間為1s，估計的被測信號頻率為6000hz，那么調(diào)整后預分頻數(shù)為1/（1/6000）=6000），再重復對基準頻率的計數(shù)過程，完成頻率測量。

這種改進既實現(xiàn)了等精度測量的基本思路——被測信號的測量時間為整數(shù)個周期，又可根據(jù)被測信號頻率的不同，自動調(diào)整被信號的預分頻數(shù)，直接利用分頻后的信號作為控制信號。這樣就將會對被測信號的計數(shù)和分頻合二為一，從而簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了硬件開銷，避免了誤觸發(fā)，提高了測量系統(tǒng)的可靠性，達到了寬范圍、等精度測量的要求。

2 誤差分析

設被測信號頻率為fx，基準信號頻率為f0，對基準信號頻率的計數(shù)值為n0，精測時被測信號的分頻數(shù)為nx，則依據(jù)改進后的等精度測頻原理，被測信號頻率fx=2?f0?nx/n0。

測量結(jié)果的相對不確定度為：

預分頻數(shù)nx不存在±1誤差，所以根號中的第二頻為0；在實際中，采用高穩(wěn)晶振，其相對不確定度可達1×10 -7；而由于采用對被測頻率連續(xù)進行分頻，使閘門時間足夠長（如1s），這樣填充的基準脈沖數(shù)可達10 7，n0的最大誤差就是±1，所以n0的相對不確定度也可達到1×10 -7。綜合起來，頻率測量結(jié)果的相對不確定度可達10 -7數(shù)量級，實現(xiàn)了高精度測量。同時對于頻率越低的信號，n0會越大，其相對不確定度會更小，但由于晶振的相對不確定性的影響，它仍然只能達到10 -7數(shù)量級，要想進一步提高測量精度，就必須使用更高精度的晶振。

3 硬件設計

測頻系統(tǒng)的硬件設計如圖3所示。

作為一個實際的頻率校頻系數(shù)，測量的頻率信號不僅有標準的ttl電平信號，也有正弦信號以及需要隔離的頻率信號，所以在測頻系數(shù)時，對不同類型的頻率信號進行處理（光電隔離、滯回比較、信號整型等），這樣便使整個測頻系統(tǒng)能夠得到廣泛的應用。

pc104嵌入式處理器具有體積小、集成度高、可靠性高、功耗低、便于攜帶等特點，可作為測頻系統(tǒng)的控制器，完成頻率測量的控制和運算任務。

現(xiàn)場可編程門陣列fpga由于具有集成度高、高速度和高穩(wěn)定性的特點，而被廣泛應用到數(shù)字邏輯電路的設計中。本測頻系統(tǒng)的核心就是一塊fpga芯片——altera公司的epf10k10，所有的邏輯模塊均在fpga中實現(xiàn)。

測頻工作原理如下：由四選一選擇開關(guān)選擇一路信號作為當前的測量通道；被測信號進入分頻模塊，按預置分頻數(shù)進行分頻；分頻后的信號通過閘門信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生閘門控制信號，當閘門控制信號為高電平有效信號時，基準時鐘被測量計數(shù)器模塊計數(shù)；測量停止后，產(chǎn)生相應的停止標志位和溢出標志位，以供軟件進行查詢；當軟件查詢到測量停止時，讀取計數(shù)器數(shù)值，計算后得到頻率值。

4 軟件設計

根據(jù)測頻過程的思考，可編寫相應的軟件。測頻程度流程圖如圖4所示。

本文設計的等精度測頻系統(tǒng)，從原理上對傳統(tǒng)的等精度測頻方法進行了一些改進，采用自適應分頻方法，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性；測量精度可達10 -7數(shù)量級，測量范圍從0.1hz到50mhz，實現(xiàn)了高精度、寬范圍的測量。而在實際設計中，通過使用pc104總線和fpga芯片等技術(shù)，使整個系統(tǒng)具有體積小、功耗低、便于攜帶等特點，可以方便地應用到野外條件下的頻率測量和校準中。